地面太陽(yáng)輻射受大氣層、時(shí)間、地理、氣候等環(huán)境因素影響很大，很難及時(shí)獲得穩(wěn)定的、可重復(fù)的、可控的陽(yáng)光，無(wú)法滿足定量實(shí)驗(yàn)、儀器標(biāo)定、性能測(cè)試等要求。因此，常采用太陽(yáng)模擬器作為模擬太陽(yáng)輻射物理特性與幾何特性的實(shí)驗(yàn)或定標(biāo)設(shè)備。發(fā)光二極管（LED）以其高效環(huán)保、安全穩(wěn)定逐等特點(diǎn)漸成為太陽(yáng)模擬器的熱點(diǎn)光源。目前，LED太陽(yáng)模擬器主要實(shí)現(xiàn)了特定平面上的3A特性以及變化的地面太陽(yáng)光譜的模擬，在滿足一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)（100mW/cm2）照度的要求下難以模擬陽(yáng)光的幾何特性。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所熊大曦團(tuán)隊(duì)基于大功率垂直結(jié)構(gòu)窄帶LED光源，設(shè)計(jì)了分布式高導(dǎo)熱單晶COB封裝，實(shí)現(xiàn)了高光功率密度穩(wěn)定輸出。同時(shí)，提出了一種使用超半球齊明透鏡對(duì)大功率LED全孔徑集光的方法，搭建了一套曲面多源積分準(zhǔn)直系統(tǒng)，完成了全光譜光源在體積空間范圍內(nèi)的準(zhǔn)直勻光。研究人員采用了多晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)戶外陽(yáng)光和相等條件下的太陽(yáng)模擬器進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了太陽(yáng)模擬器的光譜準(zhǔn)確性和方位一致性。
該研究提出的太陽(yáng)模擬器在至少5cm×5cm測(cè)試平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)了的3A級(jí)照明與1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)輻照度。在光束中心位置，工作距5cm到10cm范圍內(nèi)，輻照度體積空間不均勻性低于0.2%，準(zhǔn)直光束發(fā)散角為±3°，輻照度時(shí)間不穩(wěn)定性低于0.3%?？梢栽隗w積空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)勻光照明，其輸出光束在測(cè)試區(qū)域滿足余弦定律。此外，研究人員還開發(fā)了任意太陽(yáng)光譜擬合與控制軟件，首次實(shí)現(xiàn)了不同條件下地面太陽(yáng)光譜與太陽(yáng)方位的同時(shí)模擬。這些特點(diǎn)使它可作為太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、光化學(xué)、光生物等領(lǐng)域重要研究工具。
研究成果以LED-based solar simulator for terrestrial solar spectra and orientations為題發(fā)表在Solar Energy上。
圖1 太陽(yáng)模擬器圖形摘要
圖2 不同峰值波長(zhǎng)的LED陣列
圖3 工作距離為100mm時(shí)，垂直于光束的目標(biāo)表面輻照度分布。(a)實(shí)測(cè)電流值歸一化三維模型分布；（b）A級(jí)（小于2%）輻照度不均勻性（黃色區(qū)域）分布圖；（c）B級(jí)（小于5%）輻照度不均勻性（黃色區(qū)域）分布圖；(D)光斑實(shí)拍圖
